Математическое моделирование крупномасштабных метеорологических эффектов, обусловленных интенсивным загрязнением атмосферы сильнопоглощающим аэрозолем Солдатенко, Сергей Анатольевич

Данная диссертационная работа должна поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Солдатенко, Сергей Анатольевич. Математическое моделирование крупномасштабных метеорологических эффектов, обусловленных интенсивным загрязнением атмосферы сильнопоглощающим аэрозолем : автореферат дис. ... доктора физико-математических наук : 11.00.09.- Санкт-Петербург, 1992.- 32 с.: ил.

Введение к работе

^; :_;i - ;

г?.;'Актуальность проблемы. Резкое повшение интереса к исследо-іанию различных свойств сильнопоглощающего солнечную радиацию эрозолл (пили, различных дымов, салга), произошедшее в послед-:ее десятилетие, обусловлено выяснением того вклада в современна изменения погода и климата, который могут вносить естест-енные и антропогеннне загрязнения атмосферы. Исключительная ложность оценок возможных воздействий сильных возцущенпй аэ-озольного состава атмосферы_г обусловленных естественника л нтропогошшмл факторами,, на погоду и климат спрзлзхязт' шзсгі-сдякооть всестороннего анагшЕР. вгладоз реяжячзшх ветдзйогз^*> -

?ТЛ '*Т9Х^;*НИ*'^г^С^тЗ Т*" ^'"\"*3л ^УСТ^У⁷^'ІЛНННХ ''OT-^TIV!¹^ flX'T^].*? -^v'i": "

~:-ї :;?л этэго мзтод^ }г»етсіщсшіото ї.^го;;,і?.япрсзй!іп.ч, 'і^"х"хгі;г: рарсвкиз аналоги и данино наблюдений,. Мощным стимулом Есу^» ек кртяк.гэопгтабЕоД ;ггкгпгки звды/глпшой атшчіб^ї'і лазхас:-

рОбЛСг. ПОЛучеНИЯ 0Ц9НОЇЇ ВОН^ОКІПІХ ПООЛЄХСТР.ПЙ і'ИСрКСЙ 20ЙКЛ

д климат (М,И„Будлісо, Г.С .Голицын и Ю.А,Израэль,1986 г,; =Я.Кондратьев, 1386 г., В.Б,Александров и Г.Л,Стекчиков,1986 . и др.). Однако в этом вопросе имеется значительная доля не-іределєннссти, связанная о проблемой задания начальных усло-ій для климатических моделей. Корректно подойти к реззенга гого вопроса мояно на основе специализированного метода модв-ірозания и прогнозирования динамики и трансформации днмоьых 5дакоз, позволяющего рассчитать пространственную картину рне-зеделония аэрозольных образований (АО) и их оптические харак-фистики на момент времони, когда отдельные дымовые облака ільютея в крупномасштабные оптически активные объекты.

Изучение начальной стадии эволюции АО важно и для практиче-гих нузд, а именно для решения задач информационного метеоро-ігического обеспечения (ИМО) сложных целеустремленных систем ЦО), эффективность функционирования которых в значительной ре зависит от физического состояния атмосферного оптичоско-> канала. Недавний Ближневосточный конфликт еыявил ограничен-е возможности имвицихся методов прогнозирования оптической годы в условиях интенсивного задымления атмосферы.

Поле спектральной прозрачности всей толщи атмосферы, как казано В.Е.Зуевым и др. (1990 г.), существенно зависит от сцессов образования и перемещения синоптических объектов гноптических вихрей, барических гребней и лоябин). Синопти-

ческие вихри (СВ), являясь основным механизмом междуширотноп воздухообмена, существенящсказываются на планетарном распространении аэрозолей. В то же время, задымление атмосферы, изменяя ее статическую устойчивость, в свою очередь, влияет на развитие бароклинной неустойчивости (БН) - основной механизм циклогенеза (В.М.Бубнов и Г.С.Голицын, 1985 г.). Итак, с одной стороны,СВ способствуют транспортировке дымового аэрозол в глобальном масштабе, а с другой стороны, присутствие дымов< го аэрозоля приводит к созданию менее благоприятных условий для развития БН и генерации СВ. К этому следует добавить,что задымление атмосферы сопровождается снижением интенсивности влагооборота, который также влияет на развитие БН (В.П.Дымни ков, 1978 г.). В то же время, вследствие тепловой инерции ок ана, задымление атмосферы и последующее охлаждение поверхиос ти суши сопровождается формгкованием локализованных бароклин ных зон вблизи границы раздела суша-океан, где создаются бла гоприятные условия для генерации меаомаоштабных вихревых образований. Сказанное свидетельствует о том, что проблема про гнозирования оптической погоды и моделирования динамики АО неразрывно связана с вопросами моделирования и прогнозирования процессов чихреобразования в атмосфере.

Таким образам, актуальность темы диссертационной работы обуславливается:

необходимостью разработки специализированных методов прогнозирования оптической погоды для решения задач информационного метеорологического обеспечения СЦС, эффективность функционирования которых определяется физическим состоянием атмосферного оптического канала;
недостаточной изученностью влияния интенсивного задымления атмосферы на ее крупномасштабную динамику и процессы генерации и эволюции СВ;
необходимостью повышения достоверности климатических последствий интенсивного задымления атмосферы, вызванного природными и антропогенными причинами;
зависимостью процессов эволюции аэрозоля в атмосфере с уровня вихревой активности, важностью СВ в структуре ОЦД и ї недостаточной изученностью.

Диссертационная работа имеет своей целью создание теореті ческих основ и методов моделирования и прогнозирования динаи ки сильнопоглощающих солнечную радиацию аэрозольных облаков

і атмосфере и ее отклика на инжекцию больших количеств силь-юпоглощагощего аэрозоля, а также развитие гидродинамической "еории зарождения и динамики GB во влаяной бароклшшой атмо-

:фере.

В соответствии с целью задачи исследования сводятся к сле-увдим:

формулировка концепции разработки специализированных магматических моделей атмосферы, предназначенных для решения 'пределенного круга научных и практических задач;
разработка методологических оонов построения математиче-ких моделей задымленной атмосферы;
оценивание влияния интенсивного задымления на фор?гпрова-ле фундаментальных параметров, определяющих атмосферную вих-евуга динамику, и влагооборот;
исследование жизненного цикла возмущений, вызывашщх ре-лизацию бароклинной неустойчивости фонового ішазизонального отока в естественных уолозиях и при наличии последствий пн-еноивного задымления в атмосфере;
исследование процессов вгосреобразования в локализованных ароклинішх зонах;
разработка метода моделирования и прогнозирования динамк-и АО и условий землеобзора при наличии в атмосфере дымовых Злаков большой оптической плотности.

Основные научные результаты и гос новизна состоят в следую-ем:

I. Сформулирована концепция разработки специализированных атекатических моделей атмосферы, ориентированных на решение аданного спектра как практических, так и научных яадач. Суть э состоит в том, что процесс синтеза математических моделей элжен предусматривать два четко выраженных этапа. Первый ran, называемый впешним (системно-агрегативкнм) проектировали модели, предполагает:

изучение целей создания и будущего применения модели;

исследование фона л окружения проблемы;

обоснование показателей качества модели и критериев их денивания;

организацию и проведение экспериментов по сбору информа-ги, необходимой для построоїтая и уточнения модели.

Второй этап, называемый внутренним проектированием (струк-рко-параметричвским проектированием), предполагает решение

вопроса о том, что должна из себя представлять модель (какие физические процессы в ней должны быть учтены, какую она долана иметь структуру, какие численные методы необходимо использовать для решения уравнений модели и т.д.) с тем, чтобы удовлетворить всем требованиям, которые были к ней предъявлены на этапе внешнего проектирования.

2. Разработаны методологические основы построения математических моделей атмосферы, ориентированных на решение задач:

моделирования динамики АО и оценивания вызываемых шли эффектов;

прогнозирования условий глобального землеобзора при наличии в атмосфере аэрозольных иблаков большой оптической плотности.

Разработаны метода параметризации дымового аэрозоля и процессов его поступления в атмосферу. Построены численные схемь не увеличигаацие полнув вариацию ( TVJ) - схемы) для решения уравнения переноса примесей в атмосфере. Рассмотрены особеннс ста постановки боковых граничных условий при использовании вд жешшх сеток в задачах моделирования динамики АО.

На основе зональной модели ОЦА получены количественные оценки влияния интенсивного задымления атмосферы на зональнух структуру ОДА и формирование фундаментальных параметров, опр« деляющих вихревую динамику атмосферы - зонально-осредненные і раматр статической устойчивости и меридиональный температурні градиент.
С помощью математической модели волнового канала на бета-плоскости теоретически исследовано развитие БН во влажной атмосфера и происходящий при этом циклогенез. Впервые получеі количественные оценки влияния реализации скрытого тепла конде сации на весь жизненный цикл неустойчивых возмущений. Оценеш влияние последствий интенсивного задымления на развитие БН и генерацию GB в атмосфере.
Выполнено теоретическое исследование процессов зарождения глэзошеатабных вихрей в локализованных бароклинных зонах. Впервые получены количественные оценки влияния баронлинного с; ктора (геострофической адвекции виртуальной температуры) на : неращнэ в атмосфере завихренности и, коз следствие, ганйрзп:-вихрей. Показана суцастьеішая зависимость качества нрогі:с;"Г;;. ванне СВ от пространственного раууопйгЕЛ аоде&чй и фйых:т: :т, токоз топла.

5 Исследовано нелинейное развитие волновых возмущений в лока-зізованннх бароклинннх зонах и происходящий при этом циклоге-:ез.

6. На основе телескопической катоьатической модели атмо-
форы исследованы основные закономерности динамики дымовых АО

атмосфере на временных интервалах, иыевдих продолжительность стественного синоптического периода.

7. Разработан мзтод моделирования динаі,шки АО и прогнози-
овапия условий землеобзора при наличии в атюсфоро АО боль-
ой оптической плотности.

Результаты исследований азтора в совокупности HHSJ2S_M ЖТ как теоретическое обобщение и регента крупной научной роблемы - проблема іатештического «оделирозанзя крупнс!.эсп-збных метеорологических эффектов, обусловленных загрязнением шосфзры сильнспоглсщающим солнечную радиации аэрозолем, инэ-дэй важное значение для оценивания метеорологических, клит.я-гаеских и экологических последствий антропогенного загрязне-ія атмосферы, а также для совершенствования информационного этеорологнчоского обеспечения слошшх целеустремленных систем, йективность функционирования которых в значительной степени івисит от физического состояния атмосферного оптического каша,

Апообаштя результатов и публикации. Результаты диссертаци-шых исследований докладывались и получили одобрение на 3 и Всесоюзных научно-практических конференциях по безопасности ілетов (Ленинград, 1982 и 1985 гг.), Всесоюзных научно-техни-юких конференциях по совершенствованию геофизического обес-ічения Вооруженных Сил (Ленинград, 1984 и 1986 гг.), 5 Всесо-!нсм совещании по исследовании динамических процессов в верх-й атмосфере (Обнинск, 1985 г.), 3 Всесоюзном симпозиуме "Ме-срологичоские исследования в Антарктике" (Ленинград,1986 г.), есовзной конференции по активным воздействиям на гцдромотео-логическив процессы (Киев, 1987г.), Всесоюзном совещании по облегла численного моделирования состава и динамики свободной мосферы (Суздаль, 1988 г.), Всесоюзной конференции "Теорети-акие и экспериментальные исследования оптически активных ко-знон-г атмосферы" (Выборг, 1988 г.), 2 Всесоюзной конференции

совершенствованию метеорологического обеспечения авиации ви-з Вооружоїіннх Сил (Воронеж, 1989 г.), Всесоюзном совещании . »ра?/.етризацЕя физических процессов в гидродинамических моде-

лях атмосфери и вопроси чувствительности моделей" (Москва, 1989 г.), З Всесоюзной конференции по авиационной метеорологии (Суздаль, 1990 г.), Всесоюзном симпозиуме "Геофизические аспекты переноса примесей в верхней атмосфере" (Обнинск,1990 г.), Всесоюзной конференции "Математическое и имитационное моделирование в системах управления и проектирования" (Чернигов, 1990 г.), совещаниях межведомственной рабочей группы по проблеме оценивания фоноцелевой обстановки (Ленинград, 1989г. Москва, 1989 г.), Итоговых сессиях ученых советов и научных семинарах Ленинградского гидрометеорологического института, Военного инженерно-космического института имени А.Ф.Можайско-го, ЦШО. "Комета", ГГО имени А.И.Воейкова, Гидрометцентра, ГОИ имени С.И .Вавилова.

Основные результаты диссертации опубликованы в монографии, двух учебных пособиях, 34 статьях, 16 тезисах докладов и 15 отчетах по НИР. По материалам исследований получены два автої ских свидетельства на изобретение. В 1987 г. научная работа автора "Гидродинамические модели влажной атмосферы и их использование для решения научных и практических задач", внполнеї нал в русле диссертационных исследований, Президиумом Академии наук COOP была удостоена Почетного диплома Академии наук СССР.

В диссертацию включены результаты работ, выполненных автором лично и тех исследований, в которых личный вклад диссертанта заключается в участии на всех этапах исследования - от постановки задачи, до получения и анализа результатов, включая написание статей.

Реализованы результаты исследований в войсковых частях II284, 48254, Военной академии имени А.Ф.Дзержинокого, Военном инженерно-космическом институте имени А.Ф.Можайского, Всесоюзном научно-исследовательском институте электронного машиностроения. Внедрение результатов зафиксировано соответс вующими актами.

Стркутурно диссертация состоит из введения, шести раздело: заключения и списка литературы. Объем работы составляет 364 страницы, в том числе 85 рисунков.